A scientific study on remote sensing of forest areas by synthetic aperture radar tomography in the context of TomoSense experiment

Climate change is a challenging problem that has major impacts on human and natural ecosystems. Forests play a key role in the global carbon cycle, and hence in the global climate. However, due to the practical difficulties in globl monitoring, one of the greatest uncertainties affecting the global carbon budget arises from the lack of information on forests and,in this context, satellite imagery and secondary products play a relevant role in supplying the information necessary for analysing, monitoring and characterising Earth's Forest globally in a short time interval. Synthetic Aperture Radar (SAR) Tomography (TomoSAR) is one of the most promising technologies for mapping the 3D structure of forests because of the capability of low frequency microwaves (P- and L-band) to penetrate the thick vegetation and interacts with the dielectric properties of the forest regardless to the Sun illumination and weather condition. This thesis is intended to provide a preliminary evaluation on the potentiality of P- and L-band SAR Tomography to be related to the biophysical properties of natural media in a scientific study supported by real data acquired in the context of TomoSense experiment. TomoSense experiments comprises a series of aerial and terrestrial campaign and activity, carried out between 2019 and 2021, in support of the forthcoming European Space Agency (ESA) 7th Earth Explorer Mission BIOMASS mission to provide the scientific community with unprecedented data. Campaign activities delivers a fully polarimetric SAR surveys at P- and L-band acquired at the Eifel National Park in Germany by flying multiple trajectories to provide monostatic and bistatic SAR acquisition, completed by a detailed forest census of more than +2600 trees, Terrestrial Laser Scanning (TLS), Airborne Laser Scanning (ALS) and an estimated AGB model of the test site. In the first part of this work it is discussed the commonly adopted TomoSAR processing techniques with a qualitative comparison between the 3D TomoSAR produced by coherently combing stack of Single Look Complex (SLC) SAR images, referred to as coherent tomography, and by processing multiple interferometric pairs of simultaneous single-pass acquisitions in the so-called correlation tomography. Then, the P- and L-band penetration capability are directly evaluated by means of the estimation of the canopy top height by validating the results with respect to forest LiDAR Canopy Height Model (CHM). The blended knowledge about the test site offers the opportunity to investigate the synergies between P- and L-band in forestry application by directly evaluating possible relation between TomoSAR intensities and biophysical properties of deciduous and conifer trees populating the Kermeter forest.

Il cambiamento climatico è un problema che ha grandi impatti sugli ecosistemi umani e naturali. Le foreste giocano un ruolo chiave nel ciclo globale del carbonio, e quindi nel clima globale. Tuttavia, a causa delle difficoltà pratiche nel monitoraggio globale, una delle maggiori incertezze che riguardano il bilancio globale del carbonio deriva dalla mancanza di informazioni sulle proprietà biofisiche delle foreste e, in questo contesto, le immagini satellitari e i prodotti secondari svolgono un ruolo importante nel fornire le informazioni necessarie per analizzare, monitorare e caratterizzare la foresta terrestre a livello globale in un breve intervallo di tempo. La tomografia attraverso i Synthetic Aperture Radar (SAR) (TomoSAR) è una delle tecnologie più promettenti per misurare la biomassa delle foreste a causa della capacità delle microonde a bassa frequenza (P-, L-, C-band) di penetrare la spessa chioma degli alberi e interagire con le proprietà dielettriche della foresta indipendentemente dall'illuminazione solare e dalle condizioni climatiche. Questa tesi intende fornire una valutazione preliminare sulle potenzialità della Tomografia SAR in banda P e L di poter essere correlate con le proprietà biofisiche della foresta in uno studio scientifico supportato da dati reali acquisiti nel contesto dell'esperimento TomoSense. L'esperimento TomoSense comprende una serie di campagne e attività aeree e terrestri, realizzate tra il 2019 e il 2021, a supporto della futura missione dell'Agenzia Spaziale Europea (ESA) BIOMASS per fornire alla comunità scientifica dati senza precedenti. Le attività della campagna prevedono un'analisi SAR in banda P e L acquisita nel Parco Nazionale dell'Eifel, in Germania, volando su traiettorie multiple per fornire un'acquisizione SAR monostatica e bistatica, completata da un censimento dettagliato della foresta di oltre +2600 alberi, da una scansione laser terrestre (TLS), da una scansione laser aviotrasportata (ALS) e da un modello AGB stimato del sito di prova. Nella prima parte di questo lavoro vengono discusse le tecniche di elaborazione TomoSAR comunemente adottate, con un confronto qualitativo tra la TomoSAR 3D prodotta combinando coerentemente stack di immagini SAR Single Look Complex (SLC), definita tomografia coerente, e l'elaborazione di coppie interferometriche multiple di acquisizioni simultanee a singolo passaggio nella cosiddetta tomografia di correlazione. In seguito, la capacità di penetrazione in banda P e L viene valutata direttamente attraverso la stima dell'altezza della chioma, convalidando i risultati rispetto al Canopy Height Model (CHM) del LiDAR forestale. La conoscenza mista del sito di prova offre l'opportunità di indagare le sinergie tra la banda P e la banda L nelle applicazioni forestali, valutando direttamente la possibile relazione tra le intensità TomoSAR e le proprietà biofisiche degli alberi di latifoglie e conifere che popolano la foresta dell'Eifel.